以太坊2.0协议核心Beacon链详解

译者前言：关于以太坊的升级路线，密码货币社区的很多参与者所掌握的信息可能已经是过时了，例如以太坊的Casper协议将不会替代现有以太坊PoW机制，而是被转移到了以太坊2.0系统的Beacon链当中，而现有的以太坊PoW链，将继续按原来的规则运行，在这篇文章中，来自以太坊开发公司ConsenSys的区块链协议工程师Ben Edgington将为我们介绍关于以太坊2.0以及Beacon链的信息。

以太坊2.0并不是一个新主意，早在2014年，Vitalik就提到了以太坊2.0的概念，他说：

“我们要么解决可扩展性和共识问题，要么就死于尝试，” 好吧，我们还活得不错，而他几周前发布的最新观点是：

“对于以太坊2.0来说，理论上已没有明显未解决的问题。”

现在正是实现这些理论的时候了，而Beacon链正是以太坊2.0交付计划的第一个组成部分。在这篇文章当中，我们将讨论它的作用、它为什么是这样做的，以及开发者们是如何开发它的。

关于Beacon链的介绍

在之前的一篇文章当中，作者介绍了以太坊2.0的概念，在这里我们通过Hsiao-Wei Wang提供的以太坊2.0系统
架构图进行展示：

(图片：以太坊2.0整体架构 ，来自Hsiao-Wei Wang)

此图还可作为开发和交付以太坊2.0的分步路线图，顺序为从上到下：

1. PoW 主链是今天以太坊存在的部分：即当前的以太坊主网。在以太坊2.0系统当中，它会继续像今天那样运行。而下面的所有东西都是新的。
2. Beacon链目前正在开发当中，它也将成为第一个被交付的组件；
3. 分片链会是下一个交付组件，它也是可扩展性的来源。最初，分片链将简单地聚合交易，并就其排序达成共识，而不会执行它们。这将是对系统基础设施以及安全性的一个良好测试；
4. VM层是以太坊2.0系统的最后一个重要组成部分，它将提供合约以及交易的执行；

为什么我们需要一个“Beacon”链？

Beacon链是一个全新的PoS区块链。它是支撑整个新以太坊2.0系统的脊柱。它的存在，使得整个系统能够保持活力，其负责指挥以太坊2.0系统所有的组成部分。

(Beacon链指挥整个以太坊2.0系统，图像来源：wikimedia.org)

Beacon链的关键功能是管理PoS协议（Casper）以及所有的分片链。它有很多方面的工作要做：管理验证者以及他们的权益（stakes）；在每一步为每个分片指定所选的区块提议者；组织验证者进入委员会，对拟议的区块进行投票；应用共识规则；对验证者实施奖励和处罚；并且，作为一个锚点，其中分片会注册它们的状态，以促进跨分片交易；

在我们更深入地研究这些功能之前，请先了解一下术语。Beacon链的名字起源于“随机beacon”的概念，它为系统的其他部分提供随机性来源，而Dfinity项目在其区块链环境中也采用了随机beacon的概念。每个参与节点都会维护自己的本地Beacon链，努力与其它节点保持同步。也许上面带有指挥的图像是有误导性的，虽然Beacon链确实指挥了系统的其余部分，但其指挥者是去中心化的，这就像每个音乐家都有自己的节奏感一样。

关于Beacon链的一些功能

让我们来看看Beacon链的一些功能。

管理验证者

Beacon链的主要工作之一就是维护验证者集合，这些验证者节点需通过抵押以太币申请加入，他们会负责运行以太坊2.0系统。验证者可以具有多种状态，但只有那些被标记为“active”的节点才可以参与运行以太坊2.0协议。

而想要加入验证者集的参与者，可通过当前的以太坊PoW主链，向一个Beacon链合约发送32 以太币，在经历一些有效性检查之后，这些币会被锁定，而合约则会发出日志条目（Solidity中的“事件”），它们可被Beacon链客户端所接收。然后被选中的节点就可以导入到Beacon链的验证者集当中。

一旦激活之后，验证者就可以提出区块并参与以太坊2.0协议，当这些区块被选中之后，它们就会同时出现在Beacon链以及分片链上（一旦它们被实现的情况下）。如下所述，这些验证者还会加入对区块进行投票的委员会。

验证者也可以发出信号，表明他们希望退出系统，并停止参与协议的运行。经过一段时间（目前为97天，但可能会更灵活），他们的押金（32以太币）加上奖励再减去罚款，将被退回到一个分片链当中。解锁PoW主网上的初始权益，是不太可能的，除非整个系统失败，并且社区同意给退出者退款。

以上的所有工作，都是由Beacon链在负责管理的。

提供随机性

在区块链系统中很难产生良好的随机性，而一个权益证明（ proof-of-stake）协议的关键要求，就是随机性的来源，它必须是分布式的、可验证的、不可预测的，并且是不可剥夺的。而Beacon链就是负责向系统的其余部分提供这种随机性：下面所描述的几个协议功能就取决于这种随机性。

区块链上的随机性是一个很棘手的问题 （图片来源：medium.com）

当前的随机数生成是通过RANDAO结构完成的，验证者会提供一个“哈希洋葱”。 而RANDAO结构只是将很多参与者提供的贡献（单个随机数）组合成单个输出数字的一种方式。为了防止任何一个参与者显着地操纵随机性，开发者使用了一种提交泄露（commit–reveal）方案。当验证者注册时，它会提供一个承诺值，该值是其选择的原始数字经多次哈希后产生的。每次选择验证者作为提议者时，它通过提供最后一个揭示数字的原像来剥离“洋葱”的一层或多层。其它人都可以检查这是否是正确完成的，因此提出者不能通过改变其贡献来欺骗系统。

虽然这种方案并不是不可替代的，如果提出者不喜欢这个随机数，他可以选择跳过它，但对于当前的协议设计来说，这已经是足够健壮的。

区块提出者

Beacon链会管理它的PoS协议，以及每个分片链。在工作量证明系统当中，矿工节点会负责选出下一个区块。而在PoS系统当中，是不存在挖矿这个过程的，因此区块生产者是基于上述协议内的随机性，随机地选择区块提出者。

PoW系统的另一个特性是，区块时间是不规则的，尽管以太坊的区块生成时间平均约为15秒。相比之下，我们将Beacon链的区块生成描述为心跳（heartbeat）。以太坊2.0的区块是每16秒定期生成一次的（如果测试可行，也可能减少到8秒）。这个16秒的周期被称为“slot”（时隙）；

在每个时隙（slot），Beacon链所选择的提出者，会收集来自先前区块的Beacon链验证者集的所有协议投票（证明），并将它们纳入其发布的区块。

一旦分片链准备就绪，每个分片在每个时隙（slot）中都会有自己选择的提出者，它们将收集该分片的交易，并将它们纳入一个由分片委员会投票得出的区块当中；

委员会

验证者委员会的投票活动，在确保以太坊2.0系统安全性方面起到了关键作用 （图片：来自flickr.com）

权益证明（proof-of-stake）区块链的一个重要安全来源是委员会，它们负责对构成区块链真实历史的区块进行投票。而 Beacon链就依赖于计算来自其委员会的投票，我们将其称为“证明”，以便同意并最终确定其历史。在理想的情况下，如果能够快速收集证明，则该委员会的成员，都可以成为系统中的有效验证者。

此外，Beacon链将随机为每个分片指定较小的子委员会，这将在适当的时候负责确认分片的提出者行为是正确的。

奖励和惩罚

Beacon链的另一个管理角色，是跟踪和更新验证者的存款。

如果验证者表现良好，并发挥出了自己的作用，则他们会获得奖励：这是验证者参与以太坊2.0系统的动力。但是，如果验证者违反了规则。那么他们的32个以太币存款会减少（被削减），到达一定程度的情况下，这些验证者会被系统剔除。如果验证者出现缺席的状况（不对区块进行投票），系统也会有小小的惩罚，我们将其称为“二次泄漏”（quadratic leak）。其原因很微妙，即使在大量验证器脱机时（例如在发生灾难时），系统也能够继续处理区块。

如果验证者的存款低于16以太币，则Beacon链会把验证者从验证者集当中剔除出去；

交联（Crosslinks）

最后，Beacon链会执行交联的处理。交联负责将整个分片系统连接在一起，其负责将每个分片锚定在Beacon链的脊柱当中。

周期性地，每个分片的当前状态（“组合数据根”）会被记录到Beacon链当中，并作为交联。当Beacon链区块完成时，相应的分片区块就被认为是最终确定的，而其它分片则可确信它们可依赖它进行跨分片交易。

可视化的Beacon链（蓝色部分），它有8个分片链（碧绿色部分）以及相关交联（浅蓝色线）。所有链上的完成区块都是黄色的，时间从左到右增加。 （图片来自Casey Detrio）

构建Beacon链

很快，我们就要结束我们的Beacon链闪电之旅了！就其本身而言，Beacon链可能看起来并不是特别有用。它无法处理任意交易：它没有智能合约，它没有 EVM虚拟机。你没法用它做任何事情。但是，它作为以太坊2.0的第一个组成部分，它是整个系统的基础。整个壮观的以太坊2.0建筑都将以此为基础。所以，它必须是坚实的。

如果你想深入了解细节，那么目前有一份正在进行当中的Beacon链规范。这份规范的所有创建和维护过程都是公开进行的：欢迎有兴趣的人加入。

(在开发 Beacon链的团队)

为了运行Beacon链，你就需要用到一个Beacon链客户端。而很多大家所熟知的以太坊客户端（Geth，Parity，Pantheon等）都在进行相关的开发。你可以在此处查看我所知道的列表，其中包含指向其GitHub代码库的链接。 Prysmatic和Lighthouse正在定期更新它们的客户端开发进度，也有一些团队正在向贡献者提供奖励。

关于进度…… 在撰写本文时，Beacon链的技术规范完成度接近了60%。尽管如此，开发者们预计会在今年年底前合理地完成这份规范，并且可能到2019年第一季度末运行多客户端的Beacon链测试网络。最近几周，相关的开发非常迅速，关于以太坊2.0的真正讨论正在拉开序幕！